高压冷却下PCBN刀具切削高温合金表面完整性研究

摘要

航空发动机、核反应堆等设备需要促使高温合金发展迅速，高温合金是在大于600℃的环境中依然能保持组织稳定、有较高抗疲劳、腐蚀、氧化能力的多元素金属，高温合金自身材料属性使其加工时塑性变形严重，引起加工硬化、残余应力大等表面质量问题。针对上述现象，本文设计高压冷却下PCBN刀具切削镍基高温合金试验，并通过测试试验、理论分析和仿真验证三种手段，研究表面粗糙度、加工硬化和残余应力等现象来揭示高温合金工件加工后的表面完整性，这对于有效提高高温合金利用率、提高PCBN刀具使用寿命等均具备参考价值。
　　首先，设计并实施高压冷却下单因素和正交试验，半精加工高温合金GH4169并对切削过程中切削力测量和采集，来探讨切削力变化规律及模型建立，方便后续探究切削力对加工硬化、表面粗糙度等指标的作用规律，对己加工表面缺陷进行观察研究，分析高压冷却下表面缺陷特征对表面质量产生的影响。
　　其次，对比常规冷却并基于已加工表面形成过程的研究，通过表面粗糙度理论分析、冷却液压力和切削参数对表面粗糙度影响来阐明高压冷却下切削高温合金表面粗糙度规律，基于响应曲面法建立高压冷却下表面粗糙度模型，结合试验对所建模型验证分析。
　　再次，分析加工硬化影响因素及评价方法，探讨高压冷却下已加工表面加工硬化产生原因和影响因素，从切削力的角度出发建立高压冷却下硬化层深度模型并分析切削参数对加工硬化率及显微硬度的影响;残余应力对于高温合金的加工工艺有重要意义，从研究常规切削的残余应力机理延伸到高压冷却下残余应力规律，结合有限元仿真阐明高压冷却下高温合金切削表面残余应力及其分布规律。
　　最后，针对高压冷却下切削高温合金白层问题，对切削高温合金表面微观组织进行超景深显微镜和扫描电镜分析来探究白层和微观组织特征;白层形成于工件表层，白层厚度对零件表面质量和使用性能有重要影响，因此针对切削高温合金白层厚度问题，定量研究冷却液压力和切削参数对白层厚度的影响，探讨切削参数和切削力对白层厚度作用趋势。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景与意义

1．2 高压冷却技术特点及在切削加工中应用

1．3 高温合金材料特性及加工进展

1．3．1 高温合金材料特点及切削加工

1．3．2 PCBN刀具加工高温合金现状

1．4 切削高温合金表面完整性研究现状

1．5 课题来源及主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 主要研究内容

第2章 高压冷却下高温合金切削试验及分析

2．1 切削试验设计

2．1．1 试验条件及目的

2．1．2 切削试验方案

2．2 切削力模型及验证分析

2．2．1 切削力模型建立

2．2．2 高压冷却下切削力分析

2．3 高压冷却下表面缺陷形貌及研究

2．3．1 表面缺陷形貌结果

2．3．2 表面缺陷原因分析

2．4 本章小结

第3章 高压冷却下高温合金切削表面粗糙度分析

3．1 表面粗糙度机理研究

3．1．1 表面粗糙度相关机理

3．1．2 冷却液压力作用

3．2 高压冷却下切削高温合金表面粗糙度模型

3．2．1 表面粗糙度模型理论分析

3．2．2 高压冷却下表面粗糙度模型建立

3．2．3 实验验证及分析

3．3 表面粗糙度试验研究

3．3．1 测试方法

3．3．2 冷却压力对表面粗糙度影响

3．3．3 切削用量对表面粗糙度影响

3．4 本章小结

第4章 高压冷却下切削高温合金加工硬化分析

4．1 表面加工硬化评价和建模研究

4．1．1 加工硬化影响因素

4．1．2 加工硬化评价方法与测量

4．2 高压冷却下加工硬化研究

4．2．1 高压冷却下硬化层深度分析

4．2．2 高温合金硬化层深度模型建立

4．3 加工硬化测量试验研究

4．3．1 测试方法

4．3．2 压力对加工硬化影响作用分析

4．3．3 切削速度对加工硬化影响

4．4 本章小结

第5章 高压冷却下残余应力及白层研究

5．1 残余应力概述

5．1．1 残余应力形成过程

5．1．2 残余应力影响因素与测量方法

5．2 残余应力试验及仿真研究

5．2．1 高压冷却下残余应力试验分析

5．2．2 冷却压力对残余应力影响

5．2．3 切削参数对残余应力影响

5．2．4 切削过程仿真

5．2．5 仿真结果分析

5．3 高压冷却下白层形貌分析

5．3．1 白层特征及形成原因

5．3．2 高温合金白层形貌观察

5．4 白层形成特征分析

5．4．1 晶粒细化研究

5．4．2 冷却压力对白层影响

5．4．3 切削速度对白层影响

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢